机械电子控制技术范文

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中图分类号：S210.41 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2013）06-（页码）-页数

随着科学技术的不断发展，工程机械在能量消耗、作业性能、操作适宜程度方面的要求越来越高。本文基于一种全新的节能控制理念，借助于电子节能控制技术，进行工程机械的节能控制管理，节约了能量的消耗。下面先讲解一下广义节能的含义。

1.广义节能的含义分析

1.1广义节能含义

工程机械进行能量的转换以及能量的传递，可以给外面的负载提供有效功，做出有效功率。考虑到工程机械属于协同作业类型，有两个方面可以影响到工程机械的输出功率，一个是功率的传递情况，另一个是不同功率间的配合情况。现在人们对工程机械的节能控制大多关注在功率传递方面以及供应方、需求方的匹配方面，却没有关注不同功率间的配合情况。作用功率为工程机械在单位时间里完成的作用量。在提高作用功率的同时就会加大能量的消除程度，降低作业功率的同时就会降低能量的消耗程度。作用功率同功率之间呈反比例关系，为此，需要在一样的作用功率下进行能源消耗数据资料的比较。广义节能含义有以上说到的四点内容，分别是匹配、效率、不同功率间的配合以及作业效率。

1.2典型的工程机械功率图分析

站在能量的角度看待工程机械的全部过程，其实就是不同类型的能量之间进行的传递过程、转换过程以及做功过程。研究工程机械能量控制管理，不能没有工程机械流图的分析研究。以柴油机为例进行的能量转换过程，都来源于柴油提供的化学能量。首先是柴油机转换柴油的化学能为机械能，在这个过程中可以借助于电控喷油或者全程调速的技术方式降低柴油机的能耗指数，提高其动力性能。在液压泵里，把接收到的机械能量转成液压能量，液压泵的动力性能可以借助于压力切断、恒功率控制等方式来改善。考虑到柴油机是能量的供给方，液压泵是能量的需求方，要想改善这种供求关系时，可以进行功率荷载控制管理以及转速控制管理。液压阀接收泵释放的液压能，借助于液压系统内部的压力和对应的执行部分，进行协同动作。液压阀会受到阀控制系统的控制管理，把液压阀状态当成流量需求方面以及操作图方面的代表。把液压泵、液压阀分别当成流量方面的供求方以及需求方。这种供求关系要想良好的匹配好，还需要借助于负荷的传感控制管理以及负流量方面的控制管理。液压阀液压会被马达吸收，传出机械能量。执行元件传出的一部分机械能量会对外负载全面做功。

2.工程机械电子的节能控制技术分析

2.1全局节能控制体系

基于广义意义，进行工程机械电子的节能控制，要进行研究的对象是负载情况以及整体情况，把多执行部分进行的协调管理控制、原来工程机械电子的节能控制技术以及作业效率这三个部分之间相互结合起来，能够为了统一的目标进行最优化的工程机械节能控制管理。要想良好地定量好工程机械节能控制技术的最终节能效果，还需要定义出以下关于节能方面的指标。在单位油耗内、单位时间段内，工程机械做出的对外有效功，即有效功率比上油耗，被称为全局节能指标。它涉及到了多执行部分进行的协调管理控制、原来工程机械电子的节能控制技术以及作业效率这三个方面，可以全面地比较和分析工程机械节能效果。把工程机械全局的节能指标当成总的大目标，可以构成一个全方面的、多个层次的工程机械节能体系。

2.2全电控系统

原来的节能控制虽然有了很大的节能控制效果，但从以下几个方面，打破原来的节能控制管理范畴，还能够取得更多的节能效果。一是改变原来的参数功率，进行柔性的参数功率匹配；二是借助于作业模式技术，进一步完善功率分配系统，这种系统属于一种动态系统，能够基于作业模式上；三是清晰明白驾驶员的意图，完善作业效率控制系统，这种系统能够基于操作模式上。从以上三个方面进行工程机械的电子节能控制，还需要有全电控制的执行层面以及分布管理方式的控制层面，组成一个全新的工程机械电子节能控制功率系统。全电控转动部分由液压马达、控制阀、液压泵、柴油机构成，这些部分都是电控制的。全电控进行元件之间的转换以及功率之间的传递，让硬件功能变的优化，也增加了硬件之间的通用性。这样一来，就能够进行更方面深入的感知，也更加广泛地进行控制管理。全电控制管理系统的专用作用以及控制作用由软件承担，能够在线调节相关的控制参数，让其适应现实的操作情况以及工作情况。做到参数的柔性化管理，取得广义的节能效果。

2.3分布控制系统

信号、数据的处理速度给节能控制提出了更高的要求，为此，需要使用专门的能够基于总线的各类控制管理器，例如液压阀的控制管理器、液压泵的控制管理器、发动机的控制管理器，让这些控制器之间能够良好地连接高速总线，组成一个能够基于总线的控制系统。其中发动机控制管理器控制喷油量根据的是发动机自身的运行数据以及用户做出的指令，基于总线接收别的控制管理器进行控制指令。液压泵的控制管理器会参考液压泵在出口位置处的压力信号，调节整理液压泵的排量信号，然后发给总线数据，也是基于总线接收别的控制管理器进行控制指令。液压阀控制管理器会受到相关工作人员实施的操作指令，在接收指令后控制管理液压阀，然后传输给总线相关的数据信息，并且能够基于总线来接收别的控制指令。这种基于总线的系统，大大地提高了信息数据的传输速度以及处理速度，也能够达到实时控制在功率管理控制方面的要求。

3.总结

原来的工程机械节能控制存在着不少的缺点，打破这种体系的关键就是进行工程机械的全局电子节能控制管理，实现参数的动态匹配，建立动态功率系统以及作业管理系统，使工程机械节能控制有一个良好的控制效果，并且指明工程机械电子节能控制技术以后的发展趋势。

参考文献

[1]吴文静，刘广瑞. 数字化液压技术的控制方法研究[J].液压气动与密封. 2007（06）

[2]赵波，刘杰，戴丽，邓子龙. 挖掘机液压系统的节能技术分析[J].流体传动与控制. 2007（04）

[3]方桂花，潘海涛. 切管机液压平衡回路的节能分析[J].液压与气动. 2009（08）

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1 机械电子工程节能控制技术研究中存在的问题

1.1 部分工作人员思想观念陈腐

机电工程与其他行业有很大区别。与其他行业相比，机电工程更具技术性。因此，在研发过程中，总会出现一些技术瓶颈。这些技术障碍并不能使产业进步。行业内部存在的诸多问题对行业发展起着重要的阻碍作用，有一个关键原因在于员工的思想观念，虽然存在技术上的困难和瓶颈，但思想观念的陈旧是阻碍行业内部发展的关键原因，虽然有些员工没有很强的技术研究能力，但是他们没有很强的技术研究能力这也是控制技术创新发展中存在的一些疑问，不明白为什么要在电子工程中开展一些节能技术的研究，所以在具体工作中这些人员往往存在工作不积极、不主动开展工作的现象。在汽车企业中，虽然有一些研发人员工作能力和研发能力较强，但不可否认的是，这些人员对节能技术的使用并不是很认可，甚至有疑虑，因为根据以往的技术研发，机电工程的工艺和施工过程中不需要使用节能技术，也有人怀疑节能技术是否具有很强的优势和一定的作用，因此他们没有投入更多的精力在研发上，这也是由于科研人员观念落后造成的技术研究落后的局面。

1.2 缺乏专业的技术人员

人才是当前机电工程发展过程中的关键因素。如果没有人才，那么机电工程就无法顺利发展。技术创新也需要大量的人才和积极的研究作为支撑。但从目前机电工程行业的发展现状来看，该行业人才匮乏，大部分员工技术能力不强，工作积极性不强，对一些研发工作热情不高，阻碍了行业的发展。节能控制研究岗位本身对人员的技术能力和业务素质要求比较高，总体上人员少，素质差。从汽车领域，我们可以看到节能技术的使用现状。这些员工，无论是研发人员还是技术人员，对这项技术了解甚少，无法更合理地使用这些技术。在整个研究过程中，他们无法提供技术帮助。我国汽车工业有着很长的发展时期，但技能和技术的运用仍然非常困难，这是非常重要的原因之一，缺乏更专业、更具技术研究能力的专业人才。

2 解决机械电子工程节能控制技术问题的具体措施

2.1 加强理念意识的培养

为了有效地促进机电工程节能控制技术的发展，必须改变技术人员和管理人员的传统工作观念。通过相关培训，邀请一些业内知名人士授课，让他们充分了解节能控制技术，认识到节能控制技术对机电工程的重要性，切实提高观念和思维。同时，他们还可以提高自己的专业技能和敬业精神，传授一些新的思想，使自己的思想能够跟上时代的发展，从而在思想源头上接受和认识节能控制技术应用的重要性。

2.2 加速节能技术改革创新

一切都在不断变化，社会在发展进步，机电工程在变化。虽然目前的节能控制技术对当前的机电工程有一定的促进作用，但如果机电工程仍在不断地改革和进步，节能控制技术仍在原地不动，那么节能控制技术就不复存在了迟早不会对机电工程的发展起到作用。因此，为了保证机电工程的可持续发展，必须及时对节能控制技术进行改革和创新。一是实施全电控节能控制技术。对于机电工程系统而言，液压泵、电比例马达、电比例液压阀和电喷柴油机共同组成一个以全电控为工作方式的传动系统，进一步实现了先进的智能控制和感知的进一步深化实现了分布式节能控制技术。在建立全电控液压系统的过程中，必须对系统的压力系统进行有效的控制程度处理，以达到节能的目的；三是进一步加强全电控液压系统的节能控制，进一步降低能耗。

3 未来发展趋势分析

在机电工程不断发展的过程中，节能控制技术的研究是一个重要的组成部分，零部件的节能研究也应受到重视。随着机电工程的不断发展，大量的零件被添加进来，不仅在数量上，而且在类型上。在机电工程节能控制技术研究过程中，如果发现磨损较严重的零件频繁更换，将导致工程造价的增加和资源消耗的增加。因此，必须不断研究和改进节能技术，降低零件的磨损程度，保证零件的使用寿命，从而建立完善的机电工程节能控制系统，使机电工程不断向高水平方向发展。此外，通过机电工程节能控制技术的不断创新和优化，可以提高产品加工的整体效率，降低整体能耗水平，提高机电工程的整体安全性和稳定性。在此基础上，促进我国机电厂的可持续发展，促进我国机电工程行业创造更多的实用价值。但从目前的发展现状来看，机电工程还需要提高节能技术的创新和管理水平。

结束语

通过以上分析，机电工程的建设和运行可以促进我国现代化建设的全面发展，也可以不断完善各地的工程体系。在未来机电工程不断发展的过程中，我们要不断完善节能控制新技术的合理应用，从而使机电工程的全面发展，最大限度地发挥机电工程的价值，为中国社会主义经济建设的快速稳定发展提供相应的基础。

参考文献

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一、引言

自卸车是指利用液压或机械举升，实现自行卸载货物的车辆，又称为翻斗车。二十世纪五十年代，北美等发达国家首次在矿山开采中采用无轨胶轮车技术，1959年，英国在开始采用防爆柴油机带动无轨胶轮车进行矿山开采。与发达国家相比，我国的矿山自卸车技术起步较晚，早期以小型蓄电池机车、电动轮拖车和小绞车为主，运输效率低、需要人员多及中间环节复杂。伴随国际民经济高速发展，大型煤矿、金矿和铁矿等不断增多，对大型矿山自卸车装备及其自动化水平的需求越来越高。由于复杂的使用环境，赋予矿山自卸车具有载重量大、爬坡能力强、车速平稳、轴距较短等特点，同时对输出功率和扭矩的要求较高，用于保证在多坡多弯道的路况及满载运行状态下能够顺利、平稳工作。

二、控制系统设计

自卸车系统工作能量来源于与柴油机同轴的发电机，电流经过整流-逆变后传递给驱动电机，通过对驱动电机的有效控制实现自动卸载负载的功能。控制系统系统采用ATmegal16L单片机和电动机专用驱动芯片MC33035对驱动电机进行联合控制，控制系统由ATmegal16L单片机、控制按钮、整流单元、通信单元、控制芯片MC33035、位置检测电路、测速模块、脉宽调制电路、驱动保护电路、桥式逆变电路和保护电路组成（控制系统结构框图如图1所示），其中ATmegal16L单片机负责采集外界指令和电机位置、转速信号，并进行运算处理；MC33035根据单片机的控制信号，确定电机的动作方式如启动、正转、反转和制动等， MC33035采集霍尔传感器的电机位置信号调用内部程序确定相应的IGBT管导通，使电机持续转动起来，并根据测速模块的电机电压信号确定电机的速度，完成速度的闭环控制。

控制系统软件分为AVR单片机控制电机部分和基于CAN总线的通讯部分。电机控制部分主要完成AVR单片机的初始化、系统运行状态检测、信号的处理及电机软制动，主程序流程图如图2所示。

三、结论

伴随国家安全监管总局“机械化换人、机器人作业、自动化减人”科技强安专项行动的开展，对露天矿自卸车系统的可靠性和智能化水平提出更高的要求。本文从硬件电路和软件程序两方面对露天矿自卸车系统进行设计，系统能够对露天矿自卸车电机进行有效控制。

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目前，我国纺织品的出口主要为低端产品。虽然我国纺织产品的生产总量已位居世界之首，但国内的纺织设备普遍比较落后，纺织业仍为劳动密集型行业。如何使我国纺织业真正成为世界纺织行业的领头羊，离不开具有自主知识产权的高效自动化纺织机械设备的支撑。随着最近贸易保护主义和国外技术的封锁，我国纺织业的弱点暴露无疑。提高纺织设备的自动化水平，必须走向自主开发高端纺织机械的道路上来。

1. 纺织机械控制系统计算机语言的Web开发

利用Web技术开发纺织机械机电一体化控制系统是当前纺织机械的主流技术。Web技术的开放性使其在自动化控制系统中的应用越来越广泛，Web技术正逐步取代传统的开发模式。Web技术开发方法目前较为流行的是B/S体系结构模式。

(1) 构建树形文本数据库

采用W3C定制的XML数据交换标准作为应用系统开发的数据描述方法，通过建立树形模型描述数据文件，针对每一个应用模块建立相应的树，包括根(应用本身)、节点（程序、数据）、节点下的子节点(程序、数据所对应的单位)等等。

(2) 数据驱动的开发

W3C提供的DOM规范，是一种能够访问和操纵XML文件的方法。它可以使XML成为与应用无关的跨平台编程语言。在自动化控制系统中采用DOM接口，利用XML和HTML文档， 提供可靠、可扩展的数据开发引擎。采用microsoft的DOM引擎实现DOM功能，是目前公认相当准确的一个。

(3) 控制系统的查询语言

数据文件内容的查询语言，一般采用XQL语言。XQL与SQL相似，但也有区别。由于XML存储数据方式的不同，XML拥有SQL不能提供的同属元素索引和绑定数目字段的操作。XQL可以实现一对一或一对多个XML文件的查询，随着DOM查询引擎的不断完善，DOM将是搜索XML文件的有效方法。

2. 纺织机械自动化控制系统的设计方案

(1) 纺织机械自动化控制系统的软件设计方案

纺织机械自动化控制系统软件由PLC主程序和伺服控制器程序两部分组成，包括通讯发送程序、通讯接受程序、通讯中断程序、定时中断程序等。利用软件实现电机的高频率倒顺运转，并通过控制电机的位置关系保证纺织产品的质量，同时还需考虑各种生产过程中可能出现的停车和启动的特殊条件。变频器主要是通过构件的内部功能模块完成测取主电机的信号、控制自身变速运转功能。

(2) 纺织机械自动化控制系统的硬件设计方案

整个控制系统的硬件采用电机数控技术，利用伺服控制器、伺服电机、编码器组成计算机控制系统，通过PLC协调各驱动部件间的同步运转，从而将传动系统简化到了最低限度，间接消除了因机械原因引起的停车故障，提高了整机运转的可靠性和工作效率，也使生产效率得到相应的提高。

多电机传动系统的纺织机械控制系统通过各个逻辑器件之间的串行通讯端口，以及伺服控制器的数字频率信号的输入、输出接口，使各伺服控制器之间利用数频线逐级相连，从而保证了数据传输的精确度和可靠性。多电机传动控制系统由人机交换界面、PLC模块、变频器、伺服控制器和其他辅助器件组成：

控制对象：多电机控制系统中的电机组，通常为为三相异步电动机和交流伺服电机。

a. 主电机采用变频电机传动，工作轴上安装编码器；

b. 伺服电机控制工作轴完成逆顺转动作；同时，伺服电机所带编码器应保证与主电机的同步；

(3) 纺织机械自动化控制系统原理

主电机带动工作轴，工作轴的主编码器产生信号，并作为伺服电机的控制信号，伺服控制器接收到信号后，传输给伺服电机，伺服电机经编码器得到反馈信号，形成闭环控制，从而实现纺织机械的自动化运转。整个纺织机械的工作部件都以链接主编码器的工作轴作为参考，主编码器的工作信号作为控制其他工作轴的参考信号。伺服控制器、主电机变频器通过内部总线连接，利用总线传输主编码器的工作信号。整机系统产品的检测部分由PLC模块完成，包括安装的行程开关，光电开关等等。而系统的运行状况就可以通过人机交换界面的进行显示，对存在故障的参数进行相应的调整。

图1. 纺织机械自动化控制系统简图

3. 开发纺织机械机电一体化技术的难点

(1) 纺织机械的快速反应技术

设计纺织机械运动构件时，如何做到运动构件的快速反应，是实现纺织业自动化生产的核心技术。如某精梳工艺的锡林最高速度达到500多钳次/分钟，即要求分离罗拉和钳板摆轴的伺服电机能够满足每秒超过8.5次的逆顺转次数，锡林轴的回转保持同步和连续生产的情况下不发热的技术指标。

(2) 纺织机械的同步运转技术

保证运动部件快速反应的同时，还需保证运动部件与伺服电机的同步。如精梳机分离罗拉与钳板摆轴运动规律，要求伺服电机依据编码器和PLC控制程序按照分离罗拉与钳板摆轴的运动规律保证主电机同步。精梳机的分离罗拉技术要求是保证每钳次输出长度为26.482mm。伺服电机必须满足与锡林变频电机同步的要求。

结语

使我国纺织业真正成为世界纺织行业的领头羊，还有很多的路要走。由于国内企业使用的控制系统主要为西门子产品，且由西门子产品进行二次开发的纺织机电一体化产品也取得了一定成果。

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供水事业的稳定发展关系着人民群众的正常生产和生活，也关系着经济的正常发展和社会的稳定。在供水事业中积极运用电气自动化控制技术，不仅可以降低人力成本，提高工作效率，还可以减少供水工作中的人为错误，保障供水质量。

1 供水设备机械电气自动化控制技术的功能和优点

与传统的供水设备相比，电气自动化控制技术能够有效的提高供水工作的效率，促进供水企业的健康发展，其具有以下几个方面的功能和优点。

1.1 具有良好的自身保护功能

在电气自动化控制系统中具有较少的控制独享数量，能够在短时间内进行数据的搜集和分析，并且具有自动保护装置，这也使电气自动化控制系统能够搜集到详实、可靠的数据。在供水设备中应用该项技术，能够避免工作内容、设备所处环境对数据准确性造成的影响，避免供水工作受到各种因素的影响，将各种负面作用降低到最小。通过电气自动化控制系统中的自动保护装置，能够针对各种问题进行及时响应，从而对供水设备进行有力的保护[1]。

1.2 工作效率高

电气自动化控制系统主要是靠各个相应的程序来控制整个工作过程，并且及时记录涉及的各种数据，该系统可以以供水设备所处的位置改变为依据，及时地更新操作代码，从而保障工作指令的可靠，及时向供水设备传递工作指令。与人工操作相比，自动化控制系统能够进一步减少人为失误，提高供水工作的效率，并且及时向相关位置传递操作指令，减少传递过程中的延误。

1.3 具有良好的环境适应性

供水设备机械电气自动化控制技术能够有效地提高供水设备的环境适应能力。由于供水设备所处的工作环境较差，如果要使用人工操作的方式，则需要职工长期处于恶劣的环境中进行工作，不仅对职工的人身健康造成了恶劣的影响，而且也会影响操作的及时性和准确性，有一些供水设备所处的环境过于恶劣，职工甚至难以深入。此时就可以使用电气自动化控制技术，通过自动化技术来对供水设备进行远程操控，避免职工在恶劣的工作环境中工作，同时提高供水工作的质量，进一步降低人为误差，使供水事业的发展更加稳定[2]。

1.4 具有更快的远程传播速度

在供水设备中使用电气自动化控制技术，能够对系统进行全面的控制，及时地传输信息。与人工操作相比，该系统具有更快的远程传播速度，能够通过远程监控的方式对各种数据信息进行监控和传播，使用远程监控设备来进行信号输出。这样可以减少职工对供水设备的近距离操作，从而完全实现远程控制监控对象。

2 供水设备机械电气自动化控制技术的设计概述

2.1 积极应用集中监测理念

所谓的集中监测理念也就是通过处理器来有效的控制供水设备，其优势在于能够对整个运行过程进行有效的维护，操作较为便利，能够充分地完成供水设备的运行工作。如果供水设备出现故障，还能够进行便利的维修，从而保障了供水设备运行的稳定性。但是集中监测理念的运用也存在一些不足，尽管通过独立处理器能够使工作程序大幅度简化，然而也造成了处理工作过于集中，从而拖慢了处理的速度。特别是当控制任务越来越多时，成本也会越来越高。因此集中监测理念只适合在短距离的监控中使用，随着距离的拉长，电缆成本和供水质量都将受到很大的影响，操作失误也会越来越多。因此，当前只在简单的防护设备中应用集中监测理念。

2.2 集中应用远程监控理念

远程监控理念也就是对供水设备进行远程监控，并进行远程信号的输入和输出，远程监控理念的优点在于布设电缆时可以依照距离的远近来进行合理的安排，从而使电缆的用量得到了降低，供水费用也得到了减少。远程监控理念使用的材料比较简单，并能够收集和分析信息，对供水设备进行有效的远程监控。但是远程监控理念也存在一些问题，具体表现为无法对该项技术的特征进行充足的反应。如果需要进行远程监控，就必须进行远程输送和处理，这也带来了比较繁重的数据传输任务，数据传输的速度也会受到影响。远程监控过程中还存在着一定的数据流失[3]。

2.3 积极利用现场总线监控理念

现场总线监控理念主要是对工作现场进行总体监控，在处理器中集中所有的自动化控制功能，从而保障供水设备能够正常运行，收集和处理所有的数据。现场总线结构理念的优点在于能够对供水设备的运行全过程进行有效的监控，监控的可靠性也得到了有效的保障，对供水设备的监控效率较高，监控数据的整理和传输过程中的错误率得到了降低。然而现场总线监控理念属于现场总线监控，如果管理不善，可能会造成控制功能的混乱，难以对监控信号进行全面地收集和传输，从而影响了供水工作的顺利进行。

在供水设备机械电气自动化控制技术中，应该综合应用以上三种理念，从而以数据、距离、信号方面的要求为基础，来选择合适的理念和技术，并对其进行完善，使供水工作的需求得到充分的满足，不断提高电气自动化控制技术。总体而言，电气自动化控制技术与信息技术的结合，能够有效地提高供水设备的工作效率。结合信息技术能够有效的提高监控的效率，并对供水设施的运行情况进行在线监控，由员工在操作室中通过视频的方式进行监控，有效地提高了该技术的通讯功能，从而更好地发挥供水设备的作用，推动供水设备机械电气自动化控制技术的进步。

3 结语

自动化控制技术能够有效地提高供水设备的运行稳定性，监控供水设备的运行情况，有效的降低人力资源成本，提高供水工作的效率，促进供水企业的健康发展。因此应该在供水设备中积极引进自动化控制技术。

参考文献：

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国内外,由于水库库岸滑坡的失稳,产生了一系列的灾难性事故,如 1959 年 2月 1 日,法国马尔帕塞薄拱坝左坝头沿绢云母页岩发生滑动,致使坝体破裂,造成500 余人死亡;1963 年 10 月,意大利 Vajont 大坝库水下降时大坝左岸山体发生顺层基岩滑坡,激起 250m 高的涌浪,涌浪漫过坝顶,造成 1925 人死亡[1];我国湖南柘溪水库在蓄水初期,在近坝段发生大型顺层基岩滑坡(塘岩光滑坡),激起的涌浪冲毁了已建成的构筑物,并造成 40 余人死亡[2];湖北黄龙滩水库在 1974 年至 1985年间,库区发生了 73 处滑坡,造成了 11900 多人不得不进行移民搬迁[3];2003 年 6月,三峡水库蓄水至 135m 后不久,发生大型顺层基岩滑坡(千将坪滑坡),导致了 24 人死亡或失踪[4]。

在这些灾难发生之后,人们对水库滑坡的稳定性给予了更多的关注。为了避免由于库岸滑坡带来的生命财产损失,在水库建设和运行过程中,库岸边坡的监测工作也逐渐受到了更多的重视。国内大多数水库库岸滑坡的监测工作,主要是采用人工观测的方式进行监测数据的获取、分析和预报。人工观测存在监测频次低、数据采集过程中耗费的劳动量大、监测数据的采集过程容易受到外界不可抗力的影响(如强降雨)等缺点。不能够较好的完成监测预警的目的。

随着科技的进步,自动化数据采集技术和传输技术得到了长足的发展,目前自动化监测技术已逐渐的被应用于库岸滑坡稳定性的监测工作中。如 1991 年我国在三峡库区内 14 个重大滑坡体上组建了自动化监测站,目前这些自动化监测仪器运行正常,而且较好的完成了监测预警的目的,避免了生命财产的损失。1991 年 6 月29 日秭归县鸡米寺 60 万 m3 滑坡,通过及时准确的预警,滑坡区内 2504 人无一伤亡,财产损失也降到最低限度[5]。

自动化监测具有无人值守、实时在线、实时计算分析等优点,而且自动化监测技术能够消除人为误差对测量精度的影响,大大的提高了测量结果的可靠性,所以有必要对采用了人工观测手段的库岸滑动进行有针对性的自动化改造,消除人工观测的弊端,达到更好的预警效果。

二滩水库库区内也布着较多的滑坡体。水库两岸大于 10 万 m3 的各种不同类型的滑坡有 100 多处,大部分分布于支沟河谷中,对二滩大坝无直接的影响;干流岸坡稳定性较差,方量大于 500 万 m3 以上的有 15 处。其中金龙山斜坡位于电站库首左岸,距离二滩大坝 600m~1300m,稳定性问题十分复杂,对二滩大坝的安全及下游人民的安全威胁最大[6~7]。

金龙山斜坡上目前设置的变形监测控制网包含,地表位移变形、深层变形、地下水位、平硐监测和斜坡区气象监测。现有的监测方案具有监测数据不完整,观测频次少,数据处理不能及时反映坡体的稳定情况等一系列问题;而且观测过程中存在着数据采集工作繁重、也有一定的人为误差和危险性,因此有必要对斜坡上现有的监测仪器进行自动化改造。

目前国内外已采用自动化监测技术的滑坡体,绝大多数是没有在仪器安装以前进行自动化监测技术的可行性研究,而是直接采购自动化监测仪器,并不考虑周围环境对自动化监测设备运行以及监测数据真实性的影响,从而产生了监测数据误差过大,甚至出现了自动化监测项目遭弃用的现象。如贵州省大方县德兴煤矿滑坡体上安装的 GPS 监测系统,没有在系统安装前进行太阳能板的供电设计,造成了 GPS监测仪器不能够正常工作、贵州省都匀市马达岭接娘平变形体没有在 GPS 安装之前进行 GPRS 无线信号强度测试,而是直接采用 GPRS 通讯业务进行监测数据的传输,最终导致 GPS 监测系统安装完成后,监测数据无法正常发送。所以为了使金龙山斜坡现有监测仪器在自动化改造完成以后,能够正常运行并且获取的监测数据能够达到一个较高的精度,安装之前进行自动化监测技术研究就显得更为重要。

鉴于此,作者在导师的指导下,结合作者参加的 雅砻江流域水电站重大滑坡体自动化监测技术研究 科研项目,以《二滩水电站库区金龙山斜坡稳定性监测的自动化改造技术研究》为硕士论文选题,展开论文的研究工作,以期获得对金龙山斜坡稳定性监测有益的成果及对类似工程具有指导意义的研究方法和手段。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 库岸滑坡监测现状

库岸滑坡监测是为了避免或减轻由于岸坡失稳造成的生命财产损失,通过在岸坡的内部或表面安装埋设监测设备,监控坡体在诱发因素作用下的变形发展趋势,并在岸坡失稳前及时准确的进行预警预报。是集形成机理、监测仪器、时空技术和预测预报技术为一体的综合性技术。

1963 年,意大利 Vajont 大坝左岸山体发生顺层滑坡以后,国内外的专家学者逐渐意识到了库岸滑坡稳定性监测工作的重要性,并开展了一系列的岸坡稳定监测工作研究;我国的库岸滑坡监测工作是随着二滩、小浪底和三峡工程的兴建,而逐渐开展起来的[8]。早期的监测工作是通过水准仪、经纬仪和钢尺等仪器,量取坡体的地表位移和宏观变形;20 世纪 80 年代后,随着测量机器人和 GPS 技术的引入,以及电子技术和计算机技术的发展,监测手段更多的向自动化、高精度及远程化发展。

第二章 工程地质条件

金龙山斜坡坡面与岩层走向夹角 30°,岩层倾右岸但偏下游,在顺河流方向上岩层以 16°左右的视倾角倾向下游,阳新灰岩顶底假整合面自上游的临空状态向下游逐渐插入河床之下,造成了坡体由上游至下游稳定条件上的差异。根据两条假整合面的出露程度将金龙山斜坡从自西向东划分为三个区段[20~23]。Ⅰ区:古滑坡区,位于斜坡上游侧,呈顺坡槽谷地貌;Ⅱ区:岩体蠕变区,位于斜坡中部,呈脊形地貌;Ⅲ区:浅-表层滑坡区段,位于斜坡下游侧,呈脊形地貌,见图 2-1。

第三章 现有监测成果分析与方案评价 ...............17

3.1 监测仪器布置及运行情况 ...........17

3.2 变形特征分析 ....................19

3.3 现有监测方案存在的问题 ..........41

3.4 小结 ............................43

第四章 信号测试与分析 ...............45

4.1 GPS 监测系统概述 ................45

4.2 GPS 采集信号测试 ................49

4.3 GPS 信号测试成果分析 ............52

4.4 无线数据传输信号测试 ............58

4.5 小结 ........ .....61

第五章 自动化改造方案研究 ..............62

5.1 现有监测项目自动化改造方案研究 ..........62

5.2 新增自动化监测项目 ....................79

5.3 数据传输系统的选择 ....................81

5.4 自动化辅助系统研究 .................... 82 5.5 自动化监测方案效果评价 ..................86

结语

本文以金龙山斜坡现有监测仪器的自动化改造为研究主题,在对现有监测资料分析的基础上,结合 GPS 采集信号分析成果,明确了有必要进行自动化改造的监测项目和监测部位;然后根据 GPRS/CDMA 无线传输信号强度的测试成果、斜坡的地形地貌条件和现有的自动化改造技术,最终确定了适合于金龙山斜坡的自动化改造方案。本文得出的主要结论和成果如下:

(1)通过对现有监测资料的分析研究,明确了影响坡体稳定性的外界因素,统计了地表位移特征点、滑面位置和 V 号平硐内变形量大的监测部位,总结出现有监测方案中存在的问题。

(2)利用 TEQC 质量分析软件分析评价了 3 个地表位移控制点和 13 个地表位移特征点的 GPS 采集号质量。分析结果表明:斜坡地区大部分地表位移测点是完全可以利用 GPS 监测系统进行替代。

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引言

《2019年中国机电工程设计上市公司利润规模排行榜（前三季度）》的权威报告显示：2019年前三季度的机械电子工程设计所有上市公司的总利润总额为40121.9万元，其中排名前2位的企业利润总额占比为98.29%；榜单中有2家公司的利润规模超过7661万元大关，排名前两位的企业分别突破31773万元和7661万元。这一数据充分展现了我国机电工程在近年来取得的巨大经济效益。客观而言，当前智能化时代大背景下，智能控制能够全面促进和推动机械电子工程的健康发展，具有极为重要的意义和价值[1]。但实事求是讲，智能控制工程与机械电子工程的相互融合时间较短，想要全面发挥智能控制的各项作用和技术，专业工作人员还需进行有针对性的完善和创新，力争让这项工作得到质的提高。

1解读智能控制工程的基本概念

随着我国整体科学技术实力不断提升，控制工程已然成为全面推动和发展生产力的一项重要核心技术。智能化无疑成为机械电子工程一种必然发展的整体趋势[2]。如今，整个机械电子工程的已经全力向智能化目标迈进，当前阶段机械化生产的质量与效率的迅猛提升加之整个机械化生产的技术水平不断提高已经证明了上述观点。在机械电子工程日常工作中全面应用和推广智能化控制工程，能够提高安全生产保证以及增强社会效益。通常而言，在传统控制工程具体运作环节中，专业人员主要是将较为先进的计算机技术控制理论渗透落实于具体实践工程中，并且结合各种实际性问题运用计算机技术来采取相应的自动化控制。整个工程实现建设的关键核心就是数据模型以及设置参数。相比较之下，智能化控制工程则更为先进合理，并且堪称一种全新理念的控制模式。具体来讲，这种控制方法主要是对人脑的具体思维以及所产生的思维流程使用计算机技术完成模拟过程，并能够在整个自动控制工程中进行系统化的引入。值得一提的是，传统控制工程中对于控制具体对象的数字化模型以及各种参数极为依赖，而智能化控制工程对此都可以进行舍弃，不存在任何的依赖性，能够全面有效解决传统控制技术无法解决的一些疑难问题。

2解析机械电子工程全面应用智能控制的意义

从概念上来分析，机械电子工程属于一项工科机械类别，堪称为一种现代化技术处理的工程，这项工程又可以称作为“机电一体化”[3]。当前阶段，机械电子工程已经涵盖了诸多机械制造的方法和各种计算机应用理论。鉴于此，该工程已经被定义为一种先进的科技现代化产物。智能控制相关技术能够在现阶段的机械电子工程各项工作中起到积极的不可获取的作用，例如自动售票机、安全气囊、行驶模拟系统等等机械化产品都需要机械电子工程的各项知识理论支持和辅助。此外，科技不断进步，机械电子工程对于自身的控制系统要求越来越高。想要全面优化和提升当前阶段的机械电子工程控制系统整体水平，创造更优质的生产经营环境，就必须让智能控制工程与机械电子工程二者进行更加完美的融合。

3现阶段智能控制工程在机械电子工程中体现的三大具体应用优势

3.1应用优势之“准确性”

人工智能技术与计算机完美连接堪称为当前阶段智能控制工程一个最显著特点。通过这种模式，工作人员便可以直接通过对计算机的相应控制来顺利完成整个操控过程[4]。现阶段，科学技术取得各项优异成果，相关工作人员还能够充分利用先进的机器人技术来模拟人类控制计算机的各项具体操作。客观来讲，数据运行在整个机械电子工程运行过程中并非一成不变，而是无时无刻都在产生不同的变化。鉴于此种情况，专业的工作人员在日常工作过程中就必须对各类数据进行科学化修正，让其符合整个程序的需要，这种操作方式和流程无疑耗时耗力。而在这项工作中全面应用智能控制工程后，先进的智能系统完全能够对各种数据进行自动化的修正和完善，从而让生产的“准确性”更高，并且让整个机械电子生产过程变得更加自动化和智能化。

3.2应用优势之“稳定性”

针对当前我国的机械电子工程各项工作而言，能够达到稳定生产，堪称为整个工作的成败关键所在。通常工作人员在采用传统的生产工艺展开各项生产工作时，经常会遇到因稳定性不佳而产生的各种生产问题，导致生产效率下降，质量达不到相应标准。而智能控制工程则有效改善了这一弊端的存在，让机械电子生产过程的稳定性能够得到最充分的保障。具体原因为：智能控制工程能够借助先进的人工智能有效控制每一个生产环节，并且能够在各个生产环节中为其提供准确的信息和相关数据，让每一个生产流程能够有条不紊的进行，全面提高机械电子工程的生产效率和稳定性。

3.3应用优势之“完善性”

众所周知，机械电子工程在其自身发展过程中充分体现出了模块化的特征与性质。毫无疑问，这种特性是全面确保整个系统稳定与安全的先决条件。在发展过程中，机械电子工程必然会经历不同时期的升级以及涉及更多的科技化应用技术，这些情况都让其模块化的发展特征成为一种必然趋势得以延续。然而传统机械电子工程在整个运行过程中针对模块的完善仍旧展现出诸多限制和阻碍，让二者的融合工作无法有效进展。而在智能控制工程广泛应用于机械电子工程各个领域后该问题便迎刃而解。由于智能控制工程自身所具备的先进化综合操作系统，能够优先的控制机械电子工程各项具体工作，并且同步进行模块的完善工作，能够让机械电子工程模块化的效果发挥出最佳水平。经过分析不难得出这样一个结论：智能控制工程在机械电子工程中的三大具体应用优势明显且不可或缺。

4现阶段智能控制工程在机械电子工程中的四大具体应用探究

4.1探究集成自动控制技术的具体应用策略

从概念上来讲，集成自动控制技术在现阶段堪称为一种广泛应用于机械电子工程各项工作中的先进化智能控制技术，该项技术的基础核心是优化和创新先进的信息技术，进而全面改善机械电子设备的性能。当前阶段，集成自动控制技术对于整个机械电子工程能够起到充分的管控作用，并可以有效提高各种电子设备的生产质量和效率。具体来讲，集成自动控制技术能够广泛应用于机械电子工程中所使用各项电子设备运行的各个环节，并且这项先进的技术能够全面整合设备的各项生产信息以及运行情况，并且结合实际选取最为合理的控制方法，对多项设备进行科学化的集成控制。

4.2分析神经网络控制系统的具体应用策略

神经网络控制系统无疑是一种极为先进化且智能化的技术理念。从定义上来分析，神经网络控制系统通常是指通过先进科技全面建立模拟人类神经系统的一种高科技网络控制系统，这项系统可以充分利用不同的神经元对某一区域的机械电子设备采取专有控制，不但能够全面提高生产效率，还可以有效降低人工成本以及劳动量。针对机械电子工程所使用的各项数控设备而言，较为传统意义上的控制方法通常都是采用人工操作和控制进行，这种方式显然在处理和识别各种有效信息的环节上会出现一些失误。将先进的神经网络控制系统与数控设备相结合，工作人员仅仅需要调整好系统具体运行参数便可以对整个生产流程有效控制，全面避免因人为操作失误而产生的各种负面影响。

4.3解读预测控制技术的具体应用策略

作为极其重要的一种智能控制工程先进技术，预测控制技术所起到的重要作用不言而喻。当前阶段在我国各项机械电子工程领域中，必然会涉及到各种各样的生产工序以及机组设备，这就极易导致某一机组设备发生故障而让整条生产线产品质量受到巨大影响。而科学化的运用先进的预测控制技术可以有效解决这一关键性问题。这项先进技术能够充分结合发达的网络技术与电子信息技术对机械电子工程各项设备的日常运行状态进行详细分析，并且结合所分析出的精准结果提前预测各项设备的具体运行状态以及潜在问题。提出合理化改善和调整建议，最大程度的降低故障率，全面提高生产效率。

4.4讨论鲁棒控制技术的具体应用策略

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0.引言

计算机控制工程技术的应用，引导着机械电子工程在向着智能化方向迈进，控制工程的应用作用也愈来愈重要。人们当前对控制工程的研究也愈来愈深化，加强对机械电子工程中应用控制工程，可有效促进机械电子工程的良好发展。通过从理论层面对机械电子工程的控制工程应用，就能从理论上为其发展有着积极促进作用。

1.机械电子工程和其发展情况分析

1.1机械电子工程分析

机械电子工程主要就是机械和电子技术的结合，也就是机电一体化的发展，主要是用于创造优质产品而应用的技术。机械电子工程涵盖的内容比较多，其中有电气控制工程以及机械工程和系统总体技术等技术内容，在具体的产品生产设计当中会进行综合性的应用。机械电子工程的核心技术中，信息处理技术以及电子技术和自动控制技术等等，都能发挥其自身的作用。机械基础作为电子工程的重要支撑，也是机械电子工程的重要载体，在这一形式下才对多种技术的综合提供了有利条件。

1.2机械电子工程发展情况分析

机械电子工程在实际发展过程中，经过了长期历程，上世纪八十年代开始日本有着无人示化工程，在当前日本的机械电子技术已经比较成熟，成为世界领先技术应用国家。我国在机械电子工程领域的发展时间相对比较短，在各个层面和发达国家相比较还存在着很大差距。所以在机械电子产品大多是依靠着进口，其中数控机床的占比就比较少。我国的机械电子技术还不能有效满足实际工程的需要，加上机械电子的工程在高级智能以及自动化控制的要求都相对比较高，所以这就会多控制工程的需求比较关键，强调多种技术进行综合性应用，对工程领域的深度发展也有着促进作用目。在未来的发展过程中，我国的机械电子工程将会随着技术进一步升级，在应用的领域也会进一步扩大化，技术理论也会进一步深化。

2.机械电子工程中控制工程应用内容和具体应用

2.1机械电子工程中控制工程应用内容分析

从当前我国机械电子工程当中控制工程的用情况来看，在内容上比较多样化，其中的计算机智能技术的控制内容方面比较重要。计算机智能控制是在计算机网络技术的应用下进行控制的，对机械电子工程的各环节在线模拟目标能有效实现，然后结合实际结果进行有效控制，在远程控制系统的操作下实现自动化。通过计算机智能控制技术的应用，就能从整体上提高操作效率和质量，在相应的数据统计工作方面也提供了很大便利，对资源也得到了很大程度节约。

机械电子工程中的控制工程内容中，模糊控制工程也是重要内容，这一概念是对传统工艺困难解决而应用的，在实体模型的应用型效率比较显著。控制工程技术在计算机网络技术支持下，通过三维立体模拟程序就能有效实现机械在线模拟。并能在立体模型分析性能以及合理性的分析下进行模拟操作。这一模糊工程的应用，就能大大对程序进行简化，在控制质量上也能得到有效保证。这一简便性方式的应用，就比较有助于机械电子工程的进一步发展。

机械电子工程中控制工程内容中，核心扩展网络神经控制也是其重要内容。这是讲生物学科作为重要依据建立的控制程序，是通过多单线网络进行编制的综合网络，然后在一个核心下进行控制，这一方法的应用是在模糊控制基础上实现的，对信息数据的处理能力比较强，能有效提高工作效率水平。

2.2机械电子工程中控制工程具体应用

机械电子工程中控制工程的应用涉及到诸多内容，其中在机械磨削精密度的控制当中的应用比较重要。在对专业控制精度系统应用中，对动态化的控制目标能有效实现。具体的应用过程中，主要是在机械磨削中对可能发生的差错进行充分考虑，然后在系统中进行设定控制目标以及规则，这样就能从控制效率上有效提高。

机械电子工程中集成自动控制的应用方面，这是对信息技术的基础上实现的控制。集成化自动控制系统的应用，能有效将原信息技术和生产相关信息加以糅合，这就能从整体上对机械工程生产发展起到了促进作用。在这一系统应用中，计算机技术是比较基础性的应用技术，在不断的发展下，集成自动控制的应用领域也在不断的扩大化，集成自动控制系统在计算机技术的更新完善提高方面也起到了积极促进作用。

机械电子工程中控制工程应用，在预测控制应用在高速液压机当中就发挥着积极作用。机械电子工程当中，高压和高速化是液压机技术的重要发展趋势。对预测控制技术科学化应用，就能构建完善的系统输出预测模型，在这一模型的基础上能有效得到预测输出值和对系统误差的变化率。高速液压机当中对预测控制的应用，对控制器输出和控制模式的实现也有着促进作用。

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引言

智能机器人是人类社会科学技术进步和发展的必然产物，机器人的出现，极大地便利了人们的生活。而越来越多的研究成果表明[1-4]，智能机器人技术应用于机械电子工程领域，既为机械电子工程领域注入新的活力，提升企业生产效率，推动科技创新，又能进一步促进智能机器人技术的发展，拓宽智能机器人的应用领域。因此，智能机器人技术在机械电子工程领域的应用研究具有重要意义。

1智能机器人技术与机械电子工程

1.1智能机器人技术

作为人工智能中重要领域之一的智能机器人技术，综合了计算机科学、语言学、信息论、心理学、神经生理学、控制论等多门学科。智能机器人可在感知、效应、思维等方面全面模拟人并可以根据人们的需求为人们的生产和生活运作，是人的机械智能化的智能机器。智能机器人由诞生之初的只能按照程序执行命令到具有自己独特的感知能力和自适应能力再到可以自我学习、自我控制，真正地实现了机器人技术的智能化。

1.2机械电子工程

机械电子工程以机械化工程为核心，将电子工程技术与信息技术结合一体，通过科学合理的设计使得各个模块的优点发挥到最大的一门学科。机械电子工程的综合性较强，涵盖了机械、电子、计算机、信息、控制、人工智能、管理等诸多理论体系，也被我国大多数学者称为“机电一体化”。机械电子工程的发展史可大致分为3个阶段：第一阶段是人工阶段，在第三次工业革命时期，新兴的电子技术与传统的机械技术实现了初步融合，然而融合度还比较低，基本上处于人工阶段；在随后的30～40年为第二阶段的流水线阶段，此时计算机和控制技术以及大规模集成电路等技术的出现，使得机械电子工程进一步发展，并且在一定规模上应用于工业领域；第三阶段是集成阶段，主要指20世纪末以及21世纪初，此时机械电子工程与其他相关技术紧密结合，逐渐迈向智能化和机器人化。

1.3智能机器人技术与机械电子工程的关系

机械电子产品的内部运转机理比较复杂，但产品结构相对简单，具备模块化、集成化的特点，可以和管理技术以及制造技术等进行结合，有效控制产品体积，提高产品的综合性能。然而电子系统有不稳定性和非线性，因此在不同程度上将智能机器人技术应用于机械电子工程成为了解决这种问题的有效途径。从广义角度来看，机械电子工程与智能机器人技术的结合是双向的，机械电子工程为智能机器人技术提供了平台，进一步促进了智能机器人技术的发展，为智能机器人开拓了巨大的发展空间；将智能机器人技术与机械电子工程领域相结合，会使机电系统和产品向着智能化、信息化和自动化发展，减少成本的投入，提高质量的同时提高企业经济效益，给机械电子工程领域注入了新的活力，为生产制造业带来了前所未有的崛起和发展。

2智能机器人技术对机械电子工程的效用

2.1监督作用

在传统的机械电子工程中，自动化能力较低，很多工作需要相关人员的密切监督。而人类会受到生理心理等方面的限制，不可能长时间做工，也不可能做到精确无误。智能机器人技术的加入，可以替代或减少相关人员的介入，对机械电子工程工作进行监督。工作人员只需输入相关的指令，便可轻松实现智能机器人对机械电子工程工作的监督作用，极大地解放了劳动力。

2.2协调作用

机械电子工程是一个交叉学科，综合了许多不同的学科，这些学科的工作特点又都不相同，因此如何使这些不同的学科在机械电子工程领域发挥的作用更大成为了一个重要问题。把智能机器人技术与机械电子工程相结合，就充分协调了这些不同的学科，并使其特点相互补充完善，发挥出更大的优势。

2.3提高效率智能

机器人是机器做工，只要保证有足够的运行能源和机器的良好运行，智能机器人就可以实现长时间的工作，减少甚至消除了工作人员因大脑以及身体疲劳时可能在生产工作中工作错误。因此智能机器人技术在机械电子工程中的应用，使之前的工业生产方案与生产形式得到了改变，不仅极大地提升了工业自动化控制设备的智能性和自动性、工业生产的效率以及质量，同时还有效降低了人工劳动力投入量，并提升了工作安全度。

3智能机器人技术在机械电子工程领域的应用及趋势

3.1神经网络控制技术

神经网络控制技术是一种关键性技术，将智能机器人技术应用于机械电子工程领域的过程中，这种关键技术必不可少。相比于自动化处理能力比较低、通常需要人工操作来实现的传统的机械电子工程，通过统一的控制设备运行、调整系统参数流程后，神经网络控制技术的应用有效地减少了人工介入，提高了自动化处理的能力。

3.2嵌入式系统技术

嵌入式系统是基于现代计算机技术为用户提供特定需求的一种专用的计算机系统，它具有专用性强、体积小型化、实时性好、可靠性高等特点。将嵌入式系统应用于智能机器人的远程控制方面，通过对机器远程操控，不仅可以提高工厂的工作效率，还可以让员工产生工作兴趣，同时也保证了工作的安全性。

3.3快速诊障技术

在机械电子设备的实际应用中难免会出现许多故障，因此要保证系统正常运行，就需要快速实现对各种机电故障的诊断与排除。智能机器人技术中的快速诊障技术就可以对故障点进行精准快速的定位，帮助工作人员及时找到故障并展开维修。这极大的减少了检修的时间和成本，还可以避免因人为诊断错误造成更大损失。快速诊障技术通过系统的工作参数信息结合工作库进行分析，得到判断结构，案例库根据信息找到与之相似的案例并对此次故障提出解决方案。快速诊障技术在机械电子工程领域极大地提高了处理故障的效率。

3.4智能机器人技术在机械电子工程领域的发展趋势

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控制工程是指结合了工程理论与计算机技术理论为基础的核心概念， 是一种处理各种自动化技术中出现的工程技术问题的工程技术， 控制工程在各种机械电子工程技术实施中都得到了广泛性的应用，以多输入、多输出，改变参数和非线性等设计问题为主要研究问题， 因此控制工程在机械制造业中越来越受到重视。 

（二）机械电子工程 

机械电子工程并不是一种独特的工程学科，它通常采用模块化的方式来完成系统操作，机械电子工程系统有着构造简单的特性， 减小了机械电子工程系统的总体积，提高了机械电子工程的性能，不过，随着机械电子工程系统的复杂性不断地增加， 就必须要使机械工程与计算机技术统一地结合在一起， 从而使得控制工程在机械电子工程能够得到更好地发展。 

二、控制工程技术在机械电子工程中的应用 

（一）神经网络控制的应用 

在生物学基础上形成的神经网络控制技术，是将多个有效简单的网络神经元连接为一个网络系统，可以对于大规模网络数据信息进行有效的处理。虽然网络神经元比较简单，但将多个有效的网络神经元进行连接与融合，将形成具有复杂处理能力的神经网络控制系统。在电子机械工程中，神经网络控制系统可以有效在数控机床中应用。比如：合理利用神经网络控制系統，可以将数控机床加工过程中的不确定时间进行有效改变，最终使得数控机床加工的效率幅度得到大规模提升，使得机械电子工程行业的安全性得到全面提升。 

（二）模糊控制在机械加工过程中的应用 

在机械电子工程中，工人所操作的手续非常复杂，尤其是在机械加工的过程中，技术的操作基本上很难顺利完成。所以，在机械电子工程中，如果采用常规的控制方法是很难建立起精确的数学模型。而建立起的数学模型操作也是难度较大，并且自动控制的效果也不是很理想。而模糊控制技术相对于数学模型具有直观和构造算法灵活化以及控制编程简单化的特征，可以将原本复杂的技术转化为简单的技术。所以，在这些机械工程控制中也得到了广泛的应用。另外，模糊控制的操作方式并不用对控制对象进行精准的数学描述，只需要直接的输入测量值与设定的偏差及其偏差变化率等条件，就能够得到最优控制输出值。因此，在目前电子工程控制过程中，我们可以利用模糊控制在特定的功能区进行，并且模糊控制系统的仿真实验结果可以显示出十分明显的控制效果。 

（三）鲁棒控制的应用 

控制工程技术中的鲁棒控制指的是，技术系统在受到外界条件干扰下依然可以在某一方面保持应有的功能与特性，最终使得其具有良好的应用效果。具体来讲，我们将控制工程技术中的鲁棒控制在机械电子工程中进行应用，可以提高机械电子工程工艺的质量和水平。比如：我们以鲁棒控制在机械电子工程中机械制造生产为例子进行具体的说明。如：在柔性臂轨迹制造中，我们通常应用的是滑膜变结构的控制方法来进行工艺制造的控制，并且研究出慢变控制器。而我们有效的应用鲁棒控制就可以应用先进的理论研究出鲁棒控制器，并且使其发挥出应有的作用，对于整个系统的控制器结构进行科学调节。因此，我们应用这种方式，通过应用补偿控制算法，可以对操作轨迹模拟研究工作进行有效的补偿控制计算，最终保障柔性臂轨迹制造中的滑膜变结构。同时，想要达到以上的控制结果，我们需要对于其运行目标轨迹的过程进行有效的控制，使其具有合理化应用的组合方式，最终确保控制工作的效果。 

（四）智能控制系统在机械电子工程中的应用 

智能控制系统就是指人工智能与计算机技术结合在一起， 对机械电子工程当中的某一操作流程进行人工化的智能模拟和控制，使得智能的机器人可以像人一样进行操作工作，智能控制系统能够与人类的大脑思维模式相似， 智能控制系统能够做到自主收集相关信息等。 因此，智能控制系统结合了人工智能的特性进行了机械化大生产， 使其生产效率与人工生产模式相比，得到了质的飞跃，还可以对生产操作流程进行严格控制，节约了人力、物力资源成本，提高了机械制造行业的经济收入。对于应用这些先进技术方式的企业来讲，树立了良好的成本控制思维，提高了生产工艺的科技含量，在市场中形成了有效的精品深加工的理念，有利于企业未来的进步与发展。 

三、结束语 

控制工程是现代化高科技的产物，尤其是在机械电子工程早已实现了机电一体化的今天，控制工程系统更是被广泛运用于机械电子工程中。它使机械电子工程的操作得到了有效的优化，并有效地提高了机械电子工程的操作效率和可靠度与精度等多项指标，因此它对于推动机械电子工程的产业升级是具有积极的意义的。21 世纪是信息化的社会，计算机控制工程技术在机械电子工程中得到了有效运用。随着机械电子工程中机电一体化技术的不断发展，控制工程系统逐渐起着越来越重要的作用。它的精髓在于将控制工程的手段与计算机机械电子工程技术相结合，有效地推动了机械电子工程的智能化，也日益引发人们的高度关注。 

参考文献： 

[1]王啸. 基于自适应鲁棒算法的开架ROV悬停姿态控制研究[D].中国海洋大学，2014. 

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Engineering" Graduate Course Teaching

SUI Xiuwu， NIU Xuejuan， DU Yuhong， SANG Hongqiang

（Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387）

Abstract To address the basics of mechanical engineering graduate course big difference in disciplines， research areas scattered， weak technological base of electronic problem， this paper Tianjin Polytechnic University's "Mechanical and Electronic Engineering" course teaching reform projects and excellent graduate students in the teaching content will be re-planning to mechatronics design as the main line， the implementation of modular teaching of sensing technology， computer and information technology， automatic control technology， servo drive technology， system integration technology were the basis for the requirements module， high demand module ， demanding three-level design module. Teaching practice over the years shows that the modular design and implement teaching guide students according to their own conditions and needs of a targeted selection of research to learn the content， teaching according to the need， individualized， and achieved very good results.

Key words Mechanical and Electronic Engineering； graduate training； teaching reform； modular teaching

1 机械电子工程教学内容的总体规划

机械工程学科的研究生，大多数来自机械工程及自动化本科专业，一般具有较扎实的机械专业的基础，在“机械设计、机械制造”领域具备一定的专业知识，但是电子方面的基础知识却比较薄弱，许多研究生连常识性的电子知识都不具备，甚至对“测量”、“控制”领域一无所知。因此需对其在电子技术、计算机技术、机电系统集成技术等方面进行专业培养。

由机械电子系统的构成要素可见，机械电子工程技术一般包括六大共性关键技术：机械技术、传感检测技术、计算机与信息技术、自动控制技术、伺服传动技术、系统集成技术。如图1所示。

图1 机械电子系统的构成要素

因此，机械电子工程的教学将以机械电子工程的原理与系统设计为主线，在上述各关键技术为主要模块深入展开，而在每一关键技术中，又分别设置三个层次的教学内容：基础要求模块、较高要求模块、高要求模块，形成“一纵三横”的模块化结构。模块化教学设计很好地实现了引导学生根据自身条件及科研需要有针对性地选择要学习的内容，做到因需施教，因材施教。

2 “一纵三横”的模块化教学

“一纵”是指按机械电子工程原理与系统设计为主线的纵向结构，具体包括：传感检测技术模块、计算机与信息技术模块、自动控制技术模块、伺服传动技术模块、系统集成技术模块。“三横”是指在每个技术模块中又细分为三个层次的教学内容：基础要求模块、较高要求模块、高要求模块。具体内容如下：

传感检测技术模块：基础要求模块包括传感与测试技术基础知识（传感器的基本构成、传感器的静态数学模型及其静态特性指标、传感器的选用），机电系统最常用的位移检测（光栅传感器、绝对码编码器、增量码编码器），力学量检测（应变式多维测力弹性体、扭矩传感器等），视觉检测（线阵CCD和面阵CCD的基本原理）。较高要求模块包括双目视觉检测的基本原理及标定，触觉传感器（指端应变式触觉传感器、多功能触觉传感器）。高要求模块包括机电测试新技术，现场总线系统，虚拟仪器技术，多传感器数据融合等。

计算机与信息技术模块：基础要求模块包括计算机控制技术基础，计算机控制系统的组成、分类，及常用控制器（工控机、 PLC、单片机），软件方面要求测量数据的预处理，数字滤波，线性化处理，标度变换。较高要求模块包括PLC、单片机的应用高级技巧。高要求模块包括PMAC原理及应用，基于DSP的运动控制及DSP运动控制卡。

自动控制技术模块：基础要求模块包括PID控制算法的基本原理，标准PID算法的改进，数字PID参数的选择。较高要求模块包括模糊控制，模糊控制的定义及特点，模糊控制系统的组成，模糊控制系统的基本原理，应用模糊控制算法解决实际问题。高要求模块包括其它先进控制方法，如智能控制、自适应控制、模型预测控制、神经控制等。

伺服传动技术模块：主要讲解直流电动机、交流电动机、步进电机及其控制。基础要求模块讲解三种电机的基本原理、机械特性及最常用的控制方法。较高要求模块讲解更深一层次的原理，如直流电机的电枢电动势、电磁转矩，交流电机的旋转磁场和定转子的电路分析，变频控制的原理及实现方法，步进电机的磁阻最小原理等。高要求模块讲解三种电机的先进控制技术，如直流电机的双闭环控制、交流电机的矢量控制等。

系统集成技术模块：基础要求模块主讲机电系统各模块之间的级联设计，重点讲解模块之间的电气性能的相互匹配、信号耦合、时序配合、电平转换接口。较高要求模块主讲机电系统的电磁兼容技术，重点讲解接地技术、屏蔽技术、共模干扰的抑制、差模干扰的抑制、供电系统抗干扰、印刷电路板的抗干扰等。高要求模块重点讲解软件抗干扰技术，如软件冗余技术、软件陷阱技术、“看门狗”技术等。

3 以案例为载体，推进模块化教学设计

针对上述的模块化教学内容，设计了针对不同教学内容相应的数字化资源，建设了课程网站，开发了多媒体课件，设计了多个教学案例。在典型的机电一体化的应用领域，将“加工中心”、“工业机器人”、“自动导引车”、“汽车防抱死刹车系统”制作了教学案例，并对一些复杂系统进行了分解设计。采用单片机进行直流电机控制、采用PLC对交流电机进行变频控制，基于MATLAB的模糊控制仿真等案例模块在教学中起到了很好的效果。通过这些案例，是将机械电子工程领域的科研成果及前沿技术引入教学，最大程度地吸引了学生的学习兴趣，激发了研究生的学习动力。

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作者简介：罗亚辉（1981-），女，湖南华容人，湖南农业大学工学院，讲师；康江（1969-），男，湖南长沙人，湖南农业大学工学院，副教授。（湖南 长沙 410128）

基金项目：本文系湖南农业大学教学改革项目“机械电子工程专业实验教学体系的研究与实践”的研究成果。

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）28-0145-02

机械电子工程是一门综合性学科，集机械设计制造技术与电子技术为一体，其学科具有知识点丰富、涵盖内容广与适用范围宽等特点。近年来，随着电子信息与自动控制技术的快速发展，机电系统正逐步向智能化与自动化方向转化。目前在各行业中没有渗透电子与自动控制技术的纯机械领域越来越少，因此，社会急需全面掌握机、电和控制的复合型人才。[1-3]

湖南农业大学机械电子工程专业是根据当前国内外机电产品生产及发展趋势而设置的，以培养具有实践能力和创新精神，能应用机械、液压传动、电子、控制和传感技术，从事国民经济各部门所必须的机电设备及其自动化的设计制造、应用研究与科技开发等工作的复合型高级专门人才为目标。因此，要求所培养的学生既要有扎实的基础理论知识，又必须有较强的动手能力和创新思维。实验室是培养学生理论联系实际、建立创新意识、提高工程实验能力的重要实践基地，在教学计划中占有相当大的比重，但湖南农业大学机械电子工程专业是在多年探索机械设计制造及其自动化专业改造并取得经验的基础上创办的，其实验课程的设置与实践能力的培养均侧重于机械部分，因此有必要开展湖南农业大学机械电子工程专业的实验教学改革研究。

一、机械电子工程专业实验教学现状分析

湖南农业大学机械电子工程专业于2010年开始招生，专业课程设置参考了国内多所高校的经验，在现有师资力量与教学硬件条件下，力争做到最好，但就实验教学环节而言存在以下问题。

1.专业内容广而不精

由于机械电子工程专业涵盖机械与电子，因此在课程设置时力争兼顾到机械与电子两方面的内容，包括“理论力学”、“材料力学”、“机械制造基础”、“机械制图及计算机绘图”、“机械设计基础”、“电路分析”、“模拟电子技术基础”、“数字电子技术基础”、“控制工程基础”、“液压及气动”、“传感器与检测技术”、“电机及电力拖动基础”、“单片机原理及接口技术”、“工厂电气控制技术”、“可编程控制技术”、“信号与系统”、“机电一体化系统”、“数控技术及其应用”等近20门专业课，学生普遍反映课程科目太多，对应课程所开设实验学时偏少，难以深入学习，故每门课掌握得都不够精通。

2.电类实验设备不足

湖南农业大学机械电子工程是在多年的机械设计制造及其自动化专业基础上创办的，相比而言，机械类实验设备较完善，而电类实验的开设，虽可以在湖南农业大学部省共建电气技术实验室进行，但当时所建的电气技术实验室主要为满足机械设计制造及其自动化专业及其他工科专业的电类基础实验开设，因此如“电路分析”、“模拟电子技术”、“数字电子技术”等基础课程的实验，均能满足要求，而专业课程如“信号与系统”、“机电一体化系统”等却缺少对应的实验设备。

3.综合设计性实验设置不够

在实验教学方法上，由于课时少而时间紧等问题的存在，尽管实验室的多数仪器均能满足设计性与综合性实验要求，但目前各门课程所开设的实验多以验证性或演示性实验为主，以保证学生能在课堂上按时完成实验内容。如“电路分析”、“模拟电子技术”、“传感器与检测技术”等课程均采用模块化实验仪器，学生实验时只需简单的连接电源线与信号线进行观察或数据记录即可，严重局限了学生的思维，部分课程的实验甚至达不到教学大纲要求。因此，在教学过程中，难以调动学生的积极性与学习兴趣，发挥其主观能动性与创造性，教学效果有所欠缺，对应用型与创新型人才培养目标的体现不够深入。

二、深化实验教学改革，培养学生实践能力与创新思维

1.修改培养方案，面向市场培养应用型人才

机械电子工程专业的培养目标是要求本专业的学生不仅具有扎实的理论知识，还必须通过实验真正掌握所学理论知识，从而具备较强的动手实践能力，因此，重视实验和实践教学是培养方案修改所必须思考的问题。机械电子工程专业涵盖机械与电子，要在宽口径的同时有所精通，培养方案修改时便不能盲目的减少理论课程或平均分配实验学时，而是应该按照市场人才培养需求进行。

（1）合并相关性较强的课程实验，单独设立实验课。机械电子工程专业的课程内容较多，应用性强，如“电路分析”、“模拟电子技术基础”、“数字电子技术基础”等课程均开设有一定学时的实验课，从10学时到14学时不等，以帮助学生理论联系实际，更好地掌握理论知识，提升动手能力。分别开设实验课能方便各任课教师自主实施课程教学，但容易出现各课程实验内容过于基础，综合性不够的问题。由于这三门课程都是电类专业基础课，联系紧密，相关性强，因此可以考虑将三门课程的实验合并为一门“电工电子技术实验”，学时设为34学时，课程开设时可以从电类基础实验开始，后期完成应用性、设计性较强的两个综合性实验，使学生能更好地掌握相关内容，增强动手实践能力。

（2）按教学计划要求和培养目标对某些课程的理论与实验课时进行增减调整。如“单片机原理及接口技术”课程，10个学时的实验课远远不能满足学生的学习要求，可适当考虑减少部分理论学时，增加实验学时至16学时或更多，使学生通过实验对单片机的基础理论有较深的理解，能初步设计基本的单片机控制软硬件；同时增设单片机课程设计，用1～2周的时间进行自主设计，使学生利用所学理论知识解决实际问题的能力得到加强，从而深入培养学生的应用动手能力。

2.多方位改进实验条件

由于电类教学设备老化、部分专业课程实验设备不足等问题的存在，导致学生在实验课上动手操作机会减少，甚至某些课程未曾开设对应的实验。针对此类情况，机械电子工程专业应考虑从以下几方面改善实验条件：

（1）加大资金投入，建立“机电一体化技术”、“信号与系统”等课程对应的专业实验室。

（2）将部分设计性实验与教师科研结合，如教师研究的信号放大电路、滤波电路等可以用于“模拟电子技术基础”实验教学，而涉及到的信号检测部分或控制单元则可以用于“传感器与检测技术”、“单片机原理及接口技术”课程的设计性实验教学，以科研促教学，提高学生的动手能力与参与科学研究的能力。

（3）建立开放式的创新实验室，一方面实验室的开放不局限于课堂教学，由此提供给学生更多的动手操作机会，提升学生学习的主观能动性与自主学习能力；另一方面依托开放式的创新实验室，组织学生更多的参加各类创新活动，如机械创新大赛、电子设计竞赛及机器人大赛等，通过学生的自主开发设计，培养学生的实践能力与创新思维。

3.优化实验教学内容

针对目前各课程实验多以验证性或演示性实验为主，缺乏综合设计性实验的问题，除了改进实验条件外，还可以从各任课教师优化实验教学内容方面着手。如“单片机原理及接口技术”课程，实践性强，内容综合难度大，为便于组织，多是在实验箱上进行相关验证性实验，此类教学方式难以提高学生的学习主动性与积极性，教学效果不佳。因此，教师可从教学方式和教学手段方面进行优化，采用“任务驱动”教学法，[4]精心设计实验教学内容，使学生不仅对单片机硬件电路设计具备直观认识，也可自主尝试设计基于汇编语言或C语言的单片机软件，以提升学生自主学习的积极性，更好地掌握该门课程的内容。再如“传感器与检测技术”课程，是一门应用性极强的课程，不仅包括传感器获取信号部分，[5，6]还包括信号的变换、处理、显示等电路分析，目前所采用的实验仪器为“传感器系统实验仪”，集成了应变片、电容传感器、电感传感器、压电传感器、热电偶、霍尔传感器、光电传感器等十多种传感器及对应的处理电路，具备集成度高、应用简便等特点，能方便学生在课时范围内完成实验，其缺点是模块化的设计限制了学生的创造性思维，只能验证性完成各传感器的标定，学生兴趣不够。因此，教师可对实验教学内容进行设计，由易到难进行实验教学，基础实验在实验仪上完成后，结合电子技术、传感器技术、单片机技术的内容，引导学生自主开发，进行红外发射接收或光敏电阻应用等设计性实验，使其对传感器及应用方面的内容有更深的理解，培养其创新思维与开发设计能力，更好地将课本知识用于实践。

三、结语

湖南农业大学机械电子工程专业开设时间不长，不管是专业培养方案还是教学方式、教学手段都需要通过长期不断的探索研究并完善，笔者结合专业实际情况与学生反馈信息，对专业的实验现状进行了分析，并根据多年从教经验探讨了实验教学改革方法与思路，其中“传感器与检测技术”、“单片机原理与接口技术”等课程的实验教学内容优化研究，已应用于课堂教学。结果表明，学生学习兴趣得到提高，实践动手能力明显增强。2013年湖南农业大学组队参加了“第十二届亚太大学生机器人大赛国内选拔赛”，成功进入前八强，荣获一等奖，相较于往届有了重大突破，长达一年的研制过程中，浓厚的兴趣、坚实的基础与较强的动手能力缺一不可，体现了一系列的教学改革探索已初具成效。但是教学改革是一个长期的、不断循环往复的动态过程，在以后的教学过程中，还需要不断的探索，为更好地培养具有实践能力和创新思维的复合型人才而努力。

参考文献：

[1]王殿君，焦向东，王伟，等.新版机械电子工程专业培养方案的研究与实践[J].安徽师范大学学报（自然科学版），2010，33（1）：39-42.

[2]洪华杰，柯冠岩.关于高校机械电子工程专业创新教育的思考[J].高等教育研究学报，2009，32（4）：64-66.

[3]黄民，朱春梅，祁志生，等.机械电子工程专业方向系列课程建设与教学改革[J].中国电力教育，2011，（3）：182-184.

篇13

在我国社会经济持续发展和科学技术不断完善的基础上，机械电子工程的技术水平不断提升，技术的需求量随之增加，逐渐向智能化、多元化方向发展。在这个背景下，控制工程在机械电子工程中体现了较高的应用价值。为此，要在关注机械电子工程的基础上，要对电子技术和机械控制技术进行持续的研究，将控制工程合理应用到机械电子工程中，保证机械电子工程持续稳定发展[1-3]。

1控制工程的基本作用

控制工程空间结构简单，操作较为便捷，具有极强的应用性以及操作性，在使用过程中性能良好，能及时处理一些复杂问题，分析以及论证综合机械技术，实现良好的控制效果。另外，现阶段的控制理论主要是以空间线性工程为依据，分析并讨论非线性和多输出等问题，制定解决策略，在机械工程中发挥着重要作用，为控制工程的具体运用提供了一定的技术支持，促进了科学化生产[4-5]。

2控制工程在机械电子工程中的应用

结合之前传统机械电子工程在实际发展过程中的状况可知，控制工程在机械电子工程中已经得到了比较普遍的运用，例如数控机床以及智能控制系统等，这对促进企业健康稳定发展发挥着重要作用，同时还能进一步提高企业的经济效益[6]。具体来说，控制工程在机械电子工程中的应用体现在以下三个方面。

2.1在数控机床中的应用

控制工程在数控机床中的应用较为典型。数控机床是由较为复杂的电子网络组成的，不同的网络连接成复杂的网络交互系统。控制工程具有多功能特点的电子系统，能合理应用电子信息技术分析和处理各种数控机床应用问题，通过有效处理大规模数据信息，进行自我辨识以及自我学习，为数据的产生提供相应的自动化设备支持，使其生产成本降低，保证企业的经济效益[7-8]。

2.2在加工制作中的应用

如今，随着我国科学技术的快速发展，机械加工越来越完善，并向着多元化的方向发展，传统加工模式的问题逐渐暴露，已经无法满足时展的需要。面对这种情况，必须找到一个更先进和可靠的制作方法，促进工作效率的提高，提升企业自身的经济效益和社会效益。机械工程的数据处理速度快，操作简单，将控制工程合理应用到机械加工中，可以提高产品的整体质量，降低企业的成本[9-11]。在实际操作时，可以将其编码直接输入机器，保证其实现自动化的加工制作，提高企业的整体效益。

2.3在智能控制系统中的应用